Une modélisation pour mettre en évidence la distinction asthénosphère / lithosphère

Liaison avec le programme

Niveau concerné : 1ère S
Partie du programme : Thème 1 - B La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle

Notions, compétences

Notions Le concept de lithosphère et d’asthénosphère
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long de ce plan, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer : la lithosphère de l’asthénosphère.
L’interprétation de ces données sismiques permet ainsi de montrer que la lithosphère s’enfonce dans le manteau au niveau des fosses dites de subduction.
Objectifs et mots clés. Distinction claire des notions de : lithosphère, asthénosphère, croûte, manteau, subduction.
(Collège : lithosphère-asthénosphère)
[Limites. On se contente de présenter la notion de subduction. Le mécanisme et les conséquences géologiques de ce phénomène seront abordés en terminale.]
Compétences Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre lithosphère et asthénosphère.

Matériel

-  Logiciel AUDACITY(gratuit)

FT Audacity


-  Deux piézomètres SORDALAB (prix unitaire : 26.90 euros soit 53.80 pour 2) et adaptateur carte son (29.10 euros). Total pour le montage d’un poste : 82.90 euros.
-  Des élastiques et du ruban adhésif pour fixer les piézomètres au support.
-  Un objet métallique pour réaliser le choc (ex : pince en fer ou cuillère à café).
-  Echantillons :

1ère idée  : le chocolat dont la consistance change en fonction de la température.
3 barres de chocolat les plus longues possibles (longueur de nos échantillons : entre 20 et 25 cm)

  • une placée au congélateur (-19°C) depuis la veille.
  • une placée à température ambiante (19°C) depuis la veille.
  • une placée au micro-ondes (700W) pendant 30-40 sec.

2ème idée : la crème glacée, car sa ductilité est plus facile à atteindre.

Deux bacs :

  • un placé au congélateur (-19°C) depuis la veille.
  • un laissé 10 mn à température ambiante (19°C).

L’objectif est toujours de montrer une variation VP / VS en rapport avec celle obtenue dans les péridotites.

- une thermosonde.

Montage

Protocole

-  Une fois le montage prêt, éviter le bruit dans la salle (conversation, mouvement).
-  Lancer une mesure avec le logiciel AUDACITY.
-  Réaliser 10 à 12 chocs sur le dessus de l’échantillon, à proximité du piézomètre 1 (création d’onde de cisaillement de type S). !!! Veiller à taper de la même façon à chaque choc (même personne pour toutes les expériences).
-  Sans arrêter la mesure avec le logiciel AUDACITY, réaliser 10 à 12 chocs sur le côté de l’échantillon, à proximité du piézomètre 1 (création d’onde longitudinale de type P).
-  Arrêter l’enregistrement.

Résultats obtenus expérimentalement

- Chocolat « très froid », rigide et très cassant

- Chocolat « température ambiante », rigide et cassant

- Chocolat « passé au micro-ondes », solide et ductile :



Interprétation des résultats expérimentaux :

- avec le chocolat  :

La gamme de vitesses mesurées est encore du même ordre de grandeur que celle mesurée dans les roches.
Les vitesses ralentissent considérablement quand le chocolat est ductile.
On observe une différence de vitesse en fonction du degré de rigidité du chocolat : le chocolat très froid, très cassant conduit plus rapidement les ondes que le chocolat cassant à température ambiante.

Les résultats expérimentaux obtenus par ce modèle sont cohérents avec la réalité. Il est donc valide.

- avec la crème glacée : Les capteurs ne tiennent pas correctement sur la glace ramollie, celle-ci fondant trop vite. Ils sont vite recouverts de crème, ce qui peut altérer la mesure.
Donc, ce matériel n’est pas adapté aux manipulations avec des élèves.

Christine Peres et Nathalie Bacquet, lycée Camille Pissaro, Pontoise

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